21cm 중성 수소선에 대해 말씀 드릴까 합니다.
이 선은 분광관측(스펙트럼관측...)이나 전파에서 관측되는 것으로 현대 천문학에서 매우 중요한 선입니다.

먼저 이 선이 어떻게 나오나 생각해봅시다..
이선이 나오는 과정은 양자역학에서나오는 hyper fine structure라는 과정입니다.
보통 스펙트럼선은 전자가 원자내에서 자신이 있을 에너지 상태보다 높은 에너지 상태나 혹은 들뜸 상태에서.. 원래의 에너지 상태로 내려가면서..그 에너지 차이만큼 빛을 내놓는 현상입니다.(방출선이 그렇구요..흡수선은 반대 과정입니다..그러니까..전자가 원래 에너지 상태에서 들뜸 상태가 되면서..빛을 흡수 하는 과정이라고 생각하시면 됩니다.)
위의 과정으로 보면 ..중성수소에서는 당연히.. 스펙트럼 선이나오지 않겠죠.. 전자가 원래 에너지 상태에 있는 것이 중성 수소이니까요...
그런데... 그 hyper fine structure 라는 것에 의해..중성 수소에서도 스펙트럼선이 나오거나 흡수 될수 있다는 것입니다.

그럼 hyper fine structure라는 것이 무엇인가를 알아야 겠죠..(우리나라 말로 초 미세 천이인가.. )
그건 저도..잘 모릅니다만 간단히 설명하려고 노력하면... 양자역학에서...전자의 스핀방향은 두가지입니다. 스핀 업과 스핀 다운인상태죠..그런데.. 중성수소는 양성자 하나와 전자 하나로 구성이 됩니다. 그런데..중성수소에서..전자가 스핀업 상태일때와 스핀 다운일 상태일때의 에너지 상태가 아주 조금 다르다는 것입니다. 그런데.. 이 전자가.. 스핀이 업에서 다운이 되거나 스핀이 다운에서 업인 상태로 될때가 있다는 것입니다. 이때 바로 21cm의 파장을 지니는 빛이 나오거나 흡수 된다는 것입니다.(그러니까.. 21cm는 두 상태에서의 에너지 차이로 이해하시면 되겠죠... 에너지에 따라 빛의 파장이 결정이 되니까요.. 이것은 양자 물리학 처음에 들어가면..드브로이가 어쩌구..물질파가 저쩌구..그러는 곳에서 나오죠.. 관심있으시면..나중에 파장과 에너지와의 관계에 대해.설명드리죠..)--이것이 제가 알고 있는 초미세 천이..라는것입니다..

그런데..이선은 지구상에서는 볼수가 없다는것이 단점이죠..이유는 두가지가 있는데..첫째는 이러한 현상이 일어나기에 확률이 너무 적다는 이야기입니다... 다시말해서.. 중성수소를 하나 두고.. 이런 현상을 관측하면..시간이 많이 걸린다는 이야기죠..그러니까.. 그 사람이 살아서 그 현상을 관측할수 있을 확률이 적다는 이야기입니다. 두번째는 앞에 것 보다 더 중요한데.. 지구상에서는 수소가 중성 수소 상태에서 있을 수 없다는 이야기입니다. 지구상에서 순수하게 수소가 있는 형태는 기체 상태의 수소이죠.. 기체 상태의 수소는 중성수소가 두개 붙어 있는 것이니까.. 뭐..안되겠죠...

이런선이 왜 천문학에서 중요하게 되었는가는...다음에 쓰죠...

원문: 천문노트 옛 노트 (2004-07-21)